時空

時空の概念について

時空（じくう、英: spacetime）とは、空間と時間を一つの体系として考える物理学の概念であり、「時空間」とも呼ばれます。この概念は、物理的現象を理解する上で非常に重要であり、特に19世紀以来の物理学の発展において中心的な役割を果たしてきました。

ニュートンの時空観

アイザック・ニュートンは、宇宙の構造を理解するために絶対的な時空を提唱しました。彼の理論によれば、空間は3次元のユークリッド空間であり、時間は均等に流れる絶対的なものであるとされました。この時空の枠組みの中で、物体の運動はニュートンの運動方程式に従って記述されます。しかし、ニュートン自身の光学に関する研究もあり、彼が提唱した絶対的な時空は、ある意味では仮定に過ぎないという見方も存在します。

アインシュタインの相対性理論

20世紀初頭、アルベルト・アインシュタインは特殊相対性理論を発表し、ニュートンの時空観に革新をもたらしました。彼の理論では、光速に近い速度での動きに伴う時間と空間の変化を扱います。ここでは、ガリレイ変換による単純な時空理解ではなく、時間と空間が融合した「ローレンツ変換」が必要です。そして、アインシュタインの一般相対性理論では、時空は物質の存在によって歪み、この歪みが重力そのものであることが示されました。

現代物理学における時空

現代の物理学では、アインシュタインの時空観が標準として広く受け入れられています。特に、場の理論に関連する分野では、量子化を通じて余剰次元の概念が取り入れられています。このような理論には、超弦理論などがあります。

ここで確定性原理に基づいた考え方では、時空のサイズはプランク長程度、小さなスケールにおいては時空自体が生成と消失を繰り返す物理的存在として考えられます。この概念は「時空泡（space‐time foam）」と呼ばれ、1955年に物理学者ジョン・ホイーラーによって提案されました。

さらに、1999年にはリサ・ランドールとラマン・サンドラムによって「ブレーンワールドモデル」が提唱されました。この理論では、私たちが住む4次元の時空は、重力のみが通過できる5次元時空の膜上に存在する4次元の断面とみなされています。

まとめ

時空は、物理学の多くの分野で必須の基盤となっており、物質の性質を理解するための枠組みを提供します。ニュートンからアインシュタイン、さらには現代の理論物理学に至るまで、時空の理解は常に進化し続けています。このように、時空の概念は物理学を学ぶ上で欠かせないテーマです。

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